一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统及方法.pdf

本发明提供一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统，包括通过RS485总线连接的双轴倾角传感器和转换器；转换器通过DP电缆以Profibus-DP从站的方式接入现有控制系统；转换器包括依次连接的UART转RS485电平转换芯片、微处理器、DP从站协议处理芯片和DP总线物理接口芯片，微处理器用于根据双轴倾角传感器采集的数据计算煤气柜活塞倾斜方向角度。本发明系统采用自主研发的转换器，在转换器中对采集到的数据进行处理，再以Profibus-DP从站的方式接入现有控制系统，在硬件上统一接口，方便接入各种品牌的控制系统，用户几乎无需在控制系统中做任何编程工作，主要将本发明系统传来数据显示即可，提高兼容性。

权利要求书
1.  一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统，其特征在于：它包括通过RS485总线连接的双轴倾角传感器和转换器；双轴倾角传感器用于检测煤气柜活塞平面两垂直方向上的倾角，转换器通过DP电缆以Profibus-DP从站的方式接入现有控制系统；
所述的转换器包括依次连接的UART转RS485电平转换芯片、微处理器、DP从站协议处理芯片和DP总线物理接口芯片，微处理器用于根据双轴倾角传感器采集的数据计算煤气柜活塞倾斜角度及方向。

2.  根据权利要求1所述的煤气柜活塞倾斜度在线检测系统，其特征在于：所述的双轴倾角传感器设置在隔爆箱内，隔爆箱安装在活塞边部的活塞大坝上，与调平后的活塞平面保持相对水平。

3.  一种利用权利要求1或2所述的煤气柜活塞倾斜度在线检测系统实现的煤气柜活塞倾斜度在线检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、定义X、Y轴为活塞平面内相互垂直的坐标轴，双轴倾角传感器的测量方向与X、Y的方向互相平行，活塞原水平面为原平面β，活塞圆心为X、Y轴的交点O，活塞半径为R，活塞沿着直线MN发生倾斜，倾斜后的平面为γ，在平面γ中，设B点为倾斜之后活塞平面的最高点，它与平面β之间的垂直距离为H，且∠BOB1＝θ，那么θ为X轴正向与倾斜最高点方向沿逆时针方向的夹角，即活塞的倾斜方向；OB1、OB2分别为倾斜之后X、Y轴上的半径，则其夹角∠B1OB2＝90°，倾角传感器测得X轴方向上倾角为á，Y轴方向上倾角为
S2、对采集到的原始数据采用如下算法进行滤波处理：
Yk＝(1-j)*Xk+j*Yk-1             (1)，
公式(1)中j为滤波系数，其取值范围在0～1之间，Xk为当前采样值，Yk-1为上一次滤波结果，Yk为当前滤波结果；
将测得的X轴方向上倾角á和Y轴方向上倾角分别经过公式(1)进行滤波，得到滤波后的X轴方向上倾角a和滤波后的Y轴方向上倾角b；
S3、计算得到以下参数：
H=Rsin2a+sin2b]]>

θ=arctan(sinbsina)]]>
式中，为原平面β与倾斜之后的平面γ之间的夹角；
S4、根据X、Y轴将活塞平面分为四个象限，
1)若a>0，b>0，则表示活塞最高点在第I象限，0°<θ<90°；
2)若a<0，b>0，则表示活塞最高点在第II象限，90°<θ<180°；
3)若a<0，b<0，则表示活塞最高点在第III象限，180°<θ<270°；
4)若a>0，b<0，则表示活塞最高点在第IV象限，270°<θ<360°；
5)若a＝0，b>0，则表示活塞沿Y轴正方向倾斜，θ＝90°；
6)若a＝0，b<0，则表示活塞沿Y轴负方向倾斜，θ＝270°；
7)若b＝0，a>0，则表示活塞沿X轴正方向倾斜，θ＝0°；
8)若b＝0，a<0，则表示活塞沿X轴负方向倾斜，θ＝180°；
9)若a＝0，b＝0，则表示活塞处于水平位置，无倾斜。

说明书一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统及方法
技术领域
本发明属于冶金行业中煤气柜活塞运行状态检测领域，具体为一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统及方法。
背景技术
随着钢铁行业的快速发展，冶金企业对冶炼过程中产生煤气的综合利用越来越重视，因此大型煤气柜在冶金企业中得到越来越多的广泛应用。活塞作为煤气柜中极为重要的一个部件，其运行是否正常对于煤气柜来说显得尤为重要。
正常运行时，活塞随着煤气柜的充放气上下移动。由于活塞与整个柜体之间没有任何刚性连接，仅仅是依靠顶部钢丝绳使其平衡，而活塞重达几千吨，其主要是靠柜内煤气的压力将其支撑，因此活塞在运行过程中可能会产生一定程度的倾斜，当达到一定程度时，就可能会发生活塞卡轨、柜内煤气过压或者泄露，对于橡胶膜密封的煤气柜还有可能撕裂橡胶膜，造成重大损失。因此在煤气柜运行过程中，需要严格检测活塞的运行状态。
对于活塞运行状态，传统的检测方式是通过差压变送器测量设置在活塞周围的油罐或自带油沟内的油位变化来计算活塞的倾斜度。随着活塞的倾斜，周围的油罐内的液位也会随之变化，测量倾斜之后这三个或四个点的液位即可计算活塞的倾斜度。虽然这种测量方式精度可满足要求，但投资成本高、施工麻烦且后期维护工作量大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统及方法，能够提高在线检测活塞运行过程中的倾斜度的精度，并以Profibus-DP从站的方式接入用户现有控制系统，成本低、兼容性强。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统，其特征在于：它包括通过RS485总线连接的双轴倾角传感器和转换器；双轴倾角传感器用于检测煤气柜活塞平面两垂直方向上的倾角，转换器通过DP电缆以Profibus-DP从站的方式接入现有控制系统；
所述的转换器包括依次连接的UART转RS485电平转换芯片、微处理器、DP从站协议处理芯片和DP总线物理接口芯片，微处理器用于根据双轴倾角传感器采集的数据计算煤气柜活塞倾斜角度及方向。
按上述系统，所述的双轴倾角传感器设置在隔爆箱内，隔爆箱安装在活塞边部的活塞大坝上，与调平后的活塞平面保持相对水平。
一种利用上述煤气柜活塞倾斜度在线检测系统实现的煤气柜活塞倾斜度在线检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、定义X、Y轴为活塞平面内相互垂直的坐标轴，双轴倾角传感器的测量方向与X、Y的方向互相平行，活塞原水平面为原平面β，活塞圆心为X、Y轴的交点O，活塞半径为R，活塞沿着直线MN发生倾斜，倾斜后的平面为γ，在平面γ中，设B点为倾斜之后活塞平面的最高点，它与平面β之间的垂直距离为H，且∠BOB1＝θ，那么θ为X轴正向与倾斜最高点方向沿逆时针方向的夹角，即活塞的倾斜方向；OB1、OB2分别为倾斜之后X、Y轴上的半径，则其夹角∠B1OB2＝90°，倾角传感器测得X轴方向上倾角为a′，Y轴方向上倾角为b′；
S2、对采集到的原始数据采用如下算法进行滤波处理：
Yk＝(1-j)*Xk+j*Yk-1                     (1)，
公式(1)中j为滤波系数，其取值范围在0～1之间，Xk为当前采样值，Yk-1为上一次滤波结果，Yk为当前滤波结果；
将测得的X轴方向上倾角a′和Y轴方向上倾角b′分别经过公式(1)进行滤波，得到滤波后的X轴方向上倾角a和滤波后的Y轴方向上倾角b；
S3、计算得到以下参数：
H=Rsin2a+sin2b]]>

θ=arctan(sinbsina)]]>
式中，为原平面β与倾斜之后的平面γ之间的夹角；
S4、根据X、Y轴将活塞平面分为四个象限，
1)若a>0，b>0，则表示活塞最高点在第I象限，0°<θ<90°；
2)若a<0，b>0，则表示活塞最高点在第II象限，90°<θ<180°；
3)若a<0，b<0，则表示活塞最高点在第III象限，180°<θ<270°；
4)若a>0，b<0，则表示活塞最高点在第IV象限，270°<θ<360°；
5)若a＝0，b>0，则表示活塞沿Y轴正方向倾斜，θ＝90°；
6)若a＝0，b<0，则表示活塞沿Y轴负方向倾斜，θ＝270°；
7)若b＝0，a>0，则表示活塞沿X轴正方向倾斜，θ＝0°；
8)若b＝0，a<0，则表示活塞沿X轴负方向倾斜，θ＝180°；
9)若a＝0，b＝0，则表示活塞处于水平位置，无倾斜。
本发明的有益效果为：
1、本发明系统采用自主研发的转换器，在转换器中对采集到的数据进行处理，再以Profibus-DP从站的方式接入现有控制系统，首先在硬件上统一了接口，方便本发明系统接入各种品牌的PLC或DCS控制系统，其次用户几乎无需在PLC或DCS中做任何额外的编程工作，只需在PLC或DCS中将本发明系统组态到原控制系统，并把本系统上传数据在HMI中显示即可，提高了兼容性且方便可靠。
2、本发明方法先对原始数据进行滤波处理，再采用特定的算法进行计算，能够消除干扰信号、提高计算精度。
附图说明
图1为硬件框架图。
图2为图1中转换器的硬件电路框图。
图3为倾角算法原理图。
图4为X、Y方向原始角度信号图。
图5为信号处理之后的X、Y信号图。
图6为对原始数据处理前后计算出的倾斜角度图。
图7为传感器现场安装示意图。
图中：1-活塞，2-双轴倾角传感器，3-隔爆箱，4-1号立柱。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种煤气柜活塞倾斜度在线检测系统，如图1所示，它包括通过RS485总线连接的双轴倾角传感器和转换器；双轴倾角传感器用于检测煤气柜活塞平面两垂直方向上的倾角，转换器通过DP电缆以Profibus-DP从站的方式接入现有控制系统；
所述的转换器包括依次连接的UART转RS485电平转换芯片、微处理器、DP从站协议处理芯片和DP总线物理接口芯片，微处理器用于根据双轴倾角传感器采集的数据计算煤气柜活塞倾斜角度及方向。双轴倾角传感器为市场通用产品，其精度可达0.004°，宽电压供电(DC9～36V)。
利用高精度双轴倾角传感器在线检测煤气柜活塞平面两垂直方向上的倾角，其输出信号为RS485信号，信号接入自主研发的转换器，转换器有两个作用：一是根据两个原始倾角信号计算出整个活塞面的倾斜角度以及最高点倾斜方向，二是提供Profibus-DP接口，相当于将整个检测系统作为一个Profibus-DP从站接入用户控制系统，直接将最终计算结果送给用户。这么做有几个好处：1、将传感器的非标协议转换为工业控制领域中常用的标准 Profibus-DP协议，方便检测系统接入各种品牌的PLC或DCS控制系统；2、用户几乎无需在PLC或DCS中做任何编程工作，主要是将PLC或DCS中将检测系统传来数据在HMI中显示即可。
转换器采用STM32系列ARM处理器作为MCU，Profibus-DP通讯部分采用VPC3专用通讯芯片辅助，如图2所示，本实施例采用ST公司的32位Cortex-M3内核ARM芯片STM32F103ZET6作为整个系统的MCU，采用ADI公司的ADM2587作为UART转RS485电平转换芯片，采用profichip公司的VPC3+C/S芯片作为DP从站协议处理芯片，采用ADI公司的ADM2486作为DP总线物理接口芯片。RS485接口芯片ADM2587与DP接口芯片ADM2486都具有隔离功能，从而保证了整个系统在工业应用场合的抗干扰能力，提高了整个系统的可靠性。
Profibus-DP协议目前应用非常广泛，许多设备都带有DP接口，但是其底层协议非常复杂，若是由任由厂家自行开发其难度相当大，于是西门子率先推出了一款ASIC芯片SPC3，之后Profichip公司又推出了功能和软件完全兼容SPC3的VPC3，相对于SPC3的5V供电，VPC3兼容5V/3.3V供电，其功耗更低，更适用于目前的低压供电趋势，因此我们选择了Profichip公司的VPC3芯片作为转换器的通讯芯片。
VPC3遵循PROFIBUS标准协议，用户只需要了解PROFIBUS标准协议相关内容和芯片技术内容即能自己编写程序，通过控制芯片以实现从站的开发。
VPC3内部锁存器/寄存器位于前21个地址单元(00H～15H)，组织参数位于RAM中从16H开始的单元，用户缓冲器区域位于从40H开始的单元。方式寄存器0、1、2及状态寄存器、中断控制寄存器、看门狗都位于前21个地址单元。缓冲器结构是基于组织参数来写的。此外，普通参数设置数据(如站地址，设备标识号等)和状态显示(如通用控制命令等)也存储在这些单元。方式寄存器0和寄存器2必须在离线状态下进行赋值，一旦上电，就不能修改。方式寄存器1的某些控制参数必须在应用过程中进行修改。
优选的，所述的双轴倾角传感器设置在隔爆箱内，隔爆箱安装在活塞边部的活塞大坝上，与调平后的活塞平面保持相对水平。
根据国标规定，煤气柜活塞上部区域为1区，而双轴倾角传感器并不是本安型仪表，因此需要把双轴倾角传感器装入具有隔爆功能的隔爆箱中，现场施工人员只需考虑隔爆箱的安装。隔爆箱必须在活塞平面调平验收之后再进行安装，安装方式为水平安装(上开盖)，建议安装在由水泥浇注而成的活塞边部的活塞大坝上，以防止活塞抖动造成的信号干扰，同时必须保证隔爆箱与调平后的活塞平面保持相对水平。需要注意的是由于很难通过机械的方式调整隔爆箱达到绝对水平，本系统提供相对零点功能进行软件校正。
如图7所示，其中活塞1边上斜杠区域表示活塞大坝，隔爆箱3安装在活塞大坝上，双 轴倾角传感器2安装在隔爆箱3内，隔爆箱3宽度方向需与煤气柜的某根立柱(本图以1号立柱4示意)对齐。定义过圆心指向立柱方向为X轴正向，切线方向为Y轴，倾斜方向角度表示与X轴正向沿逆时针方向夹角，范围为0～360°。
由于双轴倾角传感器有电源电缆和485通讯电缆两根电缆，而活塞上下行程长达几十米，故需在活塞顶部设两套电缆收集装置，防止活塞在上下移动时各电缆之间互相缠绕打结。电缆收集装置没有动力部件，仅仅是依靠电缆的自重缠绕，所以从活塞到煤气柜顶这一段电缆必须采用软电缆才能较为容易的缠绕到电缆收集装置中。
一种利用上述煤气柜活塞倾斜度在线检测系统实现的煤气柜活塞倾斜度在线检测方法，它包括以下步骤：
S1、定义X、Y轴为活塞平面内相互垂直的坐标轴，双轴倾角传感器的测量方向与X、Y的方向互相平行，活塞原水平面为原平面β，活塞圆心为X、Y轴的交点O，活塞半径为R，活塞沿着直线MN发生倾斜，倾斜后的平面为γ，在平面γ中，设B点为倾斜之后活塞平面的最高点，它与平面β之间的垂直距离为H，且∠BOB1＝θ，那么θ为X轴正向与倾斜最高点方向沿逆时针方向的夹角，即活塞的倾斜方向；OB1、OB2分别为倾斜之后X、Y轴上的半径，则其夹角∠B1OB2＝90°，倾角传感器测得X轴方向上倾角为a′，Y轴方向上倾角为b′。
S2、对采集到的原始数据采用如下算法进行滤波处理：
Yk＝(1-j)*Xk+j*Yk-1                    (1)，
公式(1)中j为滤波系数，其取值范围在0～1之间，Xk为当前采样值，Yk-1为上一次滤波结果，Yk为当前滤波结果。
将测得的X轴方向上倾角a′和Y轴方向上倾角b′分别经过公式(1)进行滤波，得到滤波后的X轴方向上倾角a和滤波后的Y轴方向上倾角b；
S3、计算得到以下参数：
H=Rsin2a+sin2b]]>

θ=arctan(sinbsina)]]>
式中，为原平面β与倾斜之后的平面γ之间的夹角；
S4、根据X、Y轴将活塞平面分为四个象限，
1)若a>0，b>0，则表示活塞最高点在第I象限，0°<θ<90°；
2)若a<0，b>0，则表示活塞最高点在第II象限，90°<θ<180°；
3)若a<0，b<0，则表示活塞最高点在第III象限，180°<θ<270°；
4)若a>0，b<0，则表示活塞最高点在第IV象限，270°<θ<360°；
5)若a＝0，b>0，则表示活塞沿Y轴正方向倾斜，θ＝90°；
6)若a＝0，b<0，则表示活塞沿Y轴负方向倾斜，θ＝270°；
7)若b＝0，a>0，则表示活塞沿X轴正方向倾斜，θ＝0°；
8)若b＝0，a<0，则表示活塞沿X轴负方向倾斜，θ＝180°；
9)若a＝0，b＝0，则表示活塞处于水平位置，无倾斜。
以下是在某钢厂连续采集两天两夜的原始角度信号，采集频率为1Hz，如图4所示，总共200个点。从图上可以看出，整个时间段上信号的波动较为明显，主要因为双轴倾角传感器精度太高(小数点后3位)，煤气柜运行时活塞稍微有所晃动就会导致输出角度发生变化，而且整个活塞直径长达将近70米(15万柜)，活塞顶部是由一块块钢板拼接而成，双轴倾角传感器输出角度变化甚至有可能是因为局部钢板振动而不是因为整个活塞的晃动所造成。图中原始角度信号上下跳变的幅值在±0.02°左右，虽然幅度不大，但由于本身其绝对角度就非常小，因此这种跳变对计算结果有很大的影响。而且从实际工艺对象分析，整个活塞重量重达上千吨，不可能频繁的来回晃动，其倾斜过程必定是一个较为缓慢的过程。因此必须对原始信号进行处理，消除干扰信号。
本系统采用如下算法对原始信号进行处理：
Yk＝(1-a)*Xk+a*Yk-1                    (1)，
公式(1)中a为滤波系数，其取值范围在0～1之间，一般取值较大，Xk为当前采样值，Yk-1为上一次滤波结果，Yk为当前滤波结果。根据其计算公式可以看出，本次滤波的结果主要取决于上次滤波的输出值，而不是上次的采样值，同样本次采样值对滤波输出的贡献相对于上次滤波的输出值来说是比较小的，但会对输出结果有修正作用，模拟了较大惯性的低通滤波器功能。这种算法对周期性干扰具有较好的抑制作用，且适用于波动频率较高的场合，但它会导致相位滞后，其滞后程度取决于a值大小，a越大，滤波结果越滞后。把图4中信号按公式(1)进行滤波，其结果如图5所示。
比较图4和图5，发现滤波之后信号变得平滑，消除了原始信号的上下跳变。
滤波虽然消除了抖动，解决了原始信号的跳变对检测系统后续计算的影响，但同样也会带来信号滞后的问题。滤波系数a越大，滤波结果就越平滑，但灵敏度降低，信号滞后严重；滤波系数a越小，滤波结果灵敏度越高，但抖动厉害，因此必须选择一个合适的滤波系数，兼顾两方面的影响。
如果直接采用原始数据计算，其结果跳变较大，将会严重干扰操作人员对活塞实际运行 情况的判断，如图6所示，可以明显看出信号质量在滤波之后得到较大的改善。
算法原理如下：
整个测量原理如图3所示，假定图中X、Y为原活塞平面中相互垂直的坐标轴，倾角传感器的测量方向与X、Y的方向互相平行。活塞原水平面为原平面β，活塞圆心为X、Y轴的交点O，活塞半径为R，活塞沿着直线MN发生倾斜，倾斜后的平面为γ，在平面γ中，设B点为倾斜之后活塞平面的最高点，它与平面β之间的垂直距离为H，且∠BOB1＝θ，那么θ为X轴正向与倾斜最高点方向沿逆时针方向的夹角，即活塞的倾斜方向；OB1、OB2分别为倾斜之后X、Y轴上的半径，则其夹角∠B1OB2＝90°，倾角传感器测得X轴方向上倾角为a′，Y轴方向上倾角为b′；将测得的X轴方向上倾角a′和Y轴方向上倾角b′分别经过公式(1)进行滤波，得到滤波后的X轴方向上倾角a和滤波后的Y轴方向上倾角b。
分别从B1、B2向原平面β作垂线，垂足为C1、C2，令h1＝B1C1、h2＝B2C2，则：
h1＝Rsina                              (2)，
h2＝Rsinb                              (3)，
设原平面β与倾斜之后的平面γ之间夹角为即从B点向平面β作一条垂线，垂足为C，则在ΔOBC中：

在平面γ中，从B1点向半径OB做一条垂线B1B′1，在ΔOB1B′1中：
OB′1＝Rcosθ                              (5)，
由于MN⊥OB、B1B′1⊥OB且故MN//B1B′1；同时由于且故B1B′1//β。故从B′1向平面β做垂线B′1C′1，垂足为C′1，则：
h1＝B′1C′1                            (6)，
在ΔOB′1C′1中，又根据公式(5)知OB′1＝Rcosθ，则：

根据公式(2)(6)(7)，可得即：

同理从B2点向半径OB做一条垂线B2B′2，则OB′2＝Rsinθ，同理可得：

根据(9)/(8)可得：
式(3)、(4)分别平方求和可得：

故最终可得结论：①H=Rsin2a+sin2b]]>
                 ②
                 ③θ=arctan(sinbsina)]]>
其中H为活塞倾斜之后最高点距原活塞平面的高度，为活塞倾斜平面与原平面之间的夹角，θ为X轴正向与倾斜最高点方向沿逆时针方向的夹角，即活塞的倾斜方向。
由于活塞可能在圆周上任意一个角度上倾斜，故倾角传感器输出X、Y轴上的角度可正可负。如图3所示，将整个活塞平面分为四个象限。根据倾角传感器所测得X、Y轴方向夹角确定活塞倾斜方向角度θ。
1)若a>0，b>0，则表示活塞最高点在第I象限，0°<θ<90°；
2)若a<0，b>0，则表示活塞最高点在第II象限，90°<θ<180°；
3)若a<0，b<0，则表示活塞最高点在第III象限，180°<θ<270°；
4)若a>0，b<0，则表示活塞最高点在第IV象限，270°<θ<360°；
还有几种特殊情况：
5)若a＝0，b>0，则表示活塞沿Y轴正方向倾斜，θ＝90°；
6)若a＝0，b<0，则表示活塞沿Y轴负方向倾斜，θ＝270°；
7)若b＝0，a>0，则表示活塞沿X轴正方向倾斜，θ＝0°；
8)若b＝0，a<0，则表示活塞沿X轴负方向倾斜，θ＝180°；
9)若a＝0，b＝0，则表示活塞处于水平位置，无倾斜。
以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。